世界首次!北京大学分子医学南京转化研究院助力双光子显微镜送上太空


     

    “空间站双光子显微镜是体现我国高端精密光学仪器制造水平的重要成果。”程和平表示,本次任务创造了多项第一:世界上首次实现双光子显微镜在轨正常运行;国内首次实现飞秒激光器在轨正常运行;国际上首次通过皮肤观测到航天员在轨机体细胞结构和代谢成分相关信息等。这些不仅为航天医学领域从细胞分子水平开展航天员在轨健康监测研究提供了新工具和新方法,也为未来利用中国空间站平台开展脑科学研究提供了重要的技术手段。

       在“北京大学-南京江北新区‘分子医学协同创新专项基金’”、“北京市与中央共建高精尖创新中心事业发展专项计划——空间站双光子显微镜”、“国家自然基金重大项目-航天极端环境机体应激与防护”等多方支持下,中国空间站双光子显微镜项目团队于2022年9月研制成功空间站双光子显微镜。并于近日,神舟十五号航天员乘组使用我国自主研制的空间站双光子显微镜开展在轨验证实验任务并取得成功。这是目前已知的世界首次在航天飞行过程中使用双光子显微镜获取航天员皮肤表皮及真皮浅层的三维图像。

 

图为神舟十五号航天员乘组在轨使用空间站双光子显微镜(转自新华社)

 

       双光子显微成像技术是基于双光子吸收及荧光激发的一种非线性光学成像技术,具有高分辨率、强三维层析能力、大成像深度、在体无创无标记的特点,并且可以特异性激发胶原纤维的二次谐波信号,特别适合对活体生物组织进行结构和功能的在体无创显微成像。由于传统的双光子显微镜整机系统庞大,不能满足在轨实验仪器设备对可靠性、体积、重量、抗冲击和振动性能等的苛刻要求,此前国际上还未能实现双光子显微成像技术在空间站上的在轨运行与应用。2017年,由北京大学国家生物医学成像科学中心主任程和平院士领导的研究团队突破双光子显微镜微型化的多项核心技术,研制成功探头仅重2.2克的高时空分辨微型化双光子显微镜,为空间站双光子显微镜的开发奠定了基础。

       中国空间站双光子显微镜项目团队由程和平院士领衔,团队成员包括北京大学、北京大学分子医学南京转化研究院、中国航天员科研训练中心李英贤团队,北京航空航天大学冯丽爽团队、北京超维景生物科技有限公司及河南平原光电有限公司等。

      项目团队成员王俊杰介绍,去年11月12日,双光子显微镜搭乘天舟五号货运飞船成功运抵中国空间站,成为世界上第一台进入太空的双光子显微镜;近日,神舟十五号航天员乘组完成了双光子显微镜的安装、调试和首次成像测试,成功获取了在轨状态下脸部和前臂皮肤的在体双光子显微图像。

      据悉,空间站双光子显微镜能以亚微米级分辨率清晰呈现出航天员皮肤结构及细胞的三维分布,具备对皮肤表层进行结构、组分等无创显微成像的能力。成像结果显示,皮肤的角质层、颗粒层、棘层、基底细胞层、真皮浅层等三维结构清晰可辨,表明双光子显微镜工作状态良好,在轨验证实验取得成功。

 

图为神十五乘组航天员皮肤的双光子显微成像结果(转自新华社)

 

图为皮肤的双光子显微成像结果的层析动画展示(转自新华社)

 

       项目团队成员凌树宽介绍,双光子显微成像的信号来源于细胞及胞外基质中具有自发荧光的物质,如NADH(还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)、FAD(黄素腺嘌呤二核苷酸)、角蛋白、黑色素、弹性纤维等,以及胶原纤维产生的二次谐波信号。这些信号有助于实现对航天员细胞线粒体代谢应激反应功能探测。通过对具有自发荧光的细胞代谢产物的量化观测可以反映出航天员机体代谢功能。

       空间站双光子显微镜项目得到了中国载人航天工程办公室、中国航天员科研训练中心、以及多位专家学者持续给予项目组的专业指导。项目还得到了北京市政府、市教委和南京江北新区的大力支持。本次搭载实验也得到航天员乘组和支撑实验的载人航天系统人员的大力支持!

 

      文章部分内容来源:新华社